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针对三值光计算机进行逻辑运算时处理器的数据位与像素位在数量对应关系上的差别,提出了一种新的典型光路结构——双旋光器结构来提高光学处理器的重构速度,减少数据位数的管理难度。利用提出的结构实现了以行为单位的运算单元——行运算器,讨论了行运算器的重构特性、重构电路以及重构指令。在此基础上,设计并实现了可以降低处理器管理软件复杂度的双旋光三值光学处理器,并阐述了双旋光三值光学处理器的重构过程。最后,进行了行运算器重构指令的验证实验。验证结果表明:双旋光三值光学处理器原理正确,81个重构指令全部有效;在具有3个分区的双旋光三值光学处理器中,可并行实现任意千位量级的二元三值逻辑运算。
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第
棽棸
卷
暋
第
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期
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年
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月
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光学 精密工程
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收稿日期
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修订日期
椇
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基金项目
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国家自然科学 基金资助项目
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上海市重点学科建设项 目
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教育
部博士点建设 基金资助项目
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文章编号
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双旋光器结构的可重构三值光学处理器
宋
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金
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翊
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欧阳山
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王宏健
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上海大学 计算机工程与科学学院
棳
上海
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椈
棽棶
华东交通大学 信息工程学院
棳
江西 南昌
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棭
摘要
椇
针对三值光计算机进行逻辑运算时 处理器的数据位与像素位在数量对应关系上的差别
棳
提出了一种新 的典型 光 路
结构
暘暘暘
双旋光器 结构来提高光学处理器的重构速度
棳
减少数 据 位 数的管 理 难 度
暎
利用提出 的结 构 实 现 了以 行 为单位
的运算单元
暘暘暘
行运算器
棳
讨论了行运算 器的重构特性
暍
重构电路以及重构指令
暎
在此 基 础上
棳
设计 并实现 了可 以降 低
处理器管理软件复杂度的双旋光三值光学处理器
棳
并阐述了双旋光三值光学处理器的重构过程
暎
最后
棳
进行了行运算器
重构指令的验证实验
暎
验证结果表明
椇
双旋光三值光学处理器原理正确
棳
椄棻
个重构指令全部有效
椈
在具有
棾
个分区的 双
旋光三值光学处理器中
棳
可并行实现任意千位量级的二元三值逻辑运算
暎
关
暋
键
暋
词
椇
双旋光器结构
椈
三值光计算机
椈
三值光学处理器
椈
行运算器
椈
重构电路
中图分类号
椇
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椈
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文献标识码
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引
暋
言
暋暋
随着 大 型 电 子 计 算 机 系 统 的 复 杂 度 不 断 提
高
棳
其功耗大到难以接受的地步
棳
于是人们越来越
关注各种新形式 的 计算机
棳
光 学计 算 机 成为了极
受关注的焦 点 之 一
暎
相 对于 电 子 计 算机而言
棳
光
的物理特性使得光学计算机具备速度 更快
椲
棻灢棾
椵
暍
位
数更多
椲
棿
椵
暍
可用的物 理 状 态 较多 以 及 功耗 更 低 等
潜在优势
暎
然而
棳
由于 光 不 易 存储和光 学 器 件的
限制
棳
大部分光计 算 机 的研 究 仍 处 在理论和 模 拟
阶段
暎
棽棸棸棸
年
棳
金翊教授等人 提出了以偏 振方 向
相互正交的偏振光及无光态
棾
种光状态表示信息
的三值光学计算机体系结构
椲
椀灢椂
椵
棳
并在随后的几年
中设计实现了一 系 列的逻辑运 算 部 件
棳
构建 了 三
值光学计算机的雏形 系统
暎
棽棸棸椃
年
棳
严军 勇 和金
翊等人在制作
棾椂棸
位三值光学计算机实验系统中
发现了降值设计规律
棳
并对其进行了深入地分析
暍
提炼和总结
棳
最终 建 立 了极 其 重 要 的降 值 设 计理
论
椲
椃
椵
暎
目前
棳
该理 论也成为 三 值光 学 计 算 机 后 续
研究的工作 基 础
暎
以降 值 设 计理论为指 导
棳
上海
大学的研究者们相继构建了百位量级和千位量级
的三值光学计算 机 实验系统
棳
使得 光 学 计算的效
果可以直观地呈现 在世 人面 前
椲
椄灢棻棽
椵
暎
这两 个 实验
系统分别以验证三值光学计算机的基本理论和众
多位数三值光学 处 理器的核心 结 构 为目 的
棳
其处
理器重构的工作简化为由软件串行完成
暎
为了将
三值光学计算机推向实用
棳
依靠前两个实验系统
棳
上海大学又设计出千位可重构的三值光学处理器
硬件结构
棳
并据此构建 了 用 于三值 光 学 计算机 应
用研究的第三代实验系统
暘暘暘
斢斈棻棻
暎
由此可以预 见
棳
三值 光 学 计 算机将以 其 众 多
的数据位数和处理器的可重构性来影响未来的应
用程序
棳
同时它本身又处于创建期
棳
其软件和硬件
都有着很大的改 进 和完善空间
棳
比 如在 已 构 建的
三代实验系统中 存 在一个共同 的 问 题
椇
由于 降 值
设计理论基 元典型 结 构
椲
椃
椵
的限 制
棳
数 据位 与 像素
位无法实现一一 对 应
棳
这使 得 处 理 器管理软 件 的
设计更困难
棳
硬件 重 构 的速度也 受 到 影 响
暎
本文
报道的研究就是对
斢斈棻棻
光学 处理 器结 构进行了
重大更新
棳
这个新结构增加了不太多的液晶像素
棳
使得重构处理器 时 更方便快捷
棳
同 时降 低 了 对众
多数据位数的管理难度
暎
棽暋
双旋光器结构与行运算器
将降值设计 理 论应用到 三 值 光 学计 算机中
棳
其主要结论为
椇
无光态可以作为透明态
棬
斈
态
棭棳
全
部
棾
椆
个两输 入 三 值 逻 辑 运 算 器 可 按 照 固 定 步 骤
从
棻椄
个 最 简 基 元 中 选 取 不 超 过
椂
个 组 合 而
成
椲
棻棽
椵
暎
最简基元
棬
斅斚斦
棭
可以 抽象 成图
棻
棬
斸
棭
所 示
的典型结构
暎
图
棻暋
最简基元结构
棬
斸
棭
及双旋光器结构
棬
斺
棭
斊旈
旂
棶棻暋斅斚斦旙旚旘旛斻旚旛旘斿
棬
斸
棭
斸旑斾斾旓旛斺旍斿旘旓旚斸旚旓旘旙旚旘旛斻灢
旚旛旘斿
棬
斺
棭
图
棻
中
棻
和
棽
为垂直偏振片
棬
斨
棭
或水平 偏
振片
棬
斎
棭椈
旋光器
斕斻
暍
斕斻斸
和
斕斻斺
可为常旋光单元
或常不旋光单元
椲
棻棾灢棻椀
椵
棳
本文的旋光器由液晶实现
椈
光控制器可以是闭光阀
暍
通光阀
暍
垂直偏振片和水
平偏振片
棿
种情况
椲
椃
椵
暎
基于该结构 构建的 三 代 实 验系 统
棳
其 处 理 器
的共同特征为
椇
依据
棻
和
棽
偏振 片 的种 类 将 主
光路
棬
即 光路
棭
分成
斎斎
暍
斎斨
暍
斨斨
和
斨斎棿
个
分区
棳
并将在各分 区 上 位置相同 的
棿
个像 素 称 为
一个像素位
棳
以 像素 位 为 单位来使 用 处 理 器
暎
这
个特征决定了 一 个 像 素 位中有
棿
个 主 光 路
棳
即
棿
个基元
棳
这导致有些逻辑运算 器
棬
所需 基 元数 在
棿
个以内
棭
的每一个数据位用到一个像素位
棳
而另一
些
棬
所需基 元 数 为
椀
或
椂
个
棭
则 要 用 到 两 个 像 素
位
暎
这种对应关 系 的 差别 使 得 重 构速度更 慢
棳
数
据位管理软件更 复 杂
棳
进 而增 加 了 多 任务管理 系
统的复杂度
暎
因此
棳
需要对图
棻
棬
斸
棭
给出 的最 简 基
元的典型结构进行改进
暎
棽棶棻暋
双旋光器结构
在图
棻
棬
斸
棭
中
棳
偏 振 片
棽
决 定 了 任 一 最 简 基
元只能输出一种 类 型 的偏振光
棳
无法 输 出 两种不
同的偏振光
棳
这是 有 时需 要 两 个 像素位 才 能 实现
一个数据位的根本原因
暎
解决这个问题的最简单
办法是在偏 振 片
棽
后 增 加 一 层 液 晶
棳
利 用 液 晶
的旋光性使最 简基元 可 输 出不 同 状 态 的偏振光
棳
棻椆椄棻
第
椆
期
暋暋暋暋暋
宋
暋
凯
棳
等
椇
双旋光器结构的可重构三值光学处理器
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weixin_38628211
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